Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong ngành công nghiệp chế biến thực phẩm tại Việt Nam, xoài (Mangifera indica L., thuộc họ Đào lộn hột - Anacardiaceae) là một trong những loại cây ăn quả nhiệt đới chủ lực có giá trị dinh dưỡng và thương phẩm cao. Thịt quả xoài chín chứa hàm lượng lớn đường đơn dễ hấp thu (khoảng 20%), acid citric, caroten (tiền vitamin A chiếm 15%), vitamin B1, B2, vitamin C (36 mg/100 g phần ăn được) và các khoáng chất vi lượng như Canxi, Phốt pho, Sắt. Để kéo dài thời gian bảo quản, giảm chi phí vận chuyển, bao bì và đa dạng hóa sản phẩm (sản xuất nước quả cô đặc, mứt, nước giải khát), quá trình cô đặc làm tăng nồng độ chất khô đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong dây chuyền chế biến.
Tuy nhiên, dịch nước ép xoài là hệ dung dịch nhạy cảm với nhiệt độ. Khi đun nóng ở nhiệt độ cao trong thời gian dài, các cấu tử quý như vitamin C, caroten và đường dễ bị biến tính, caramel hóa, phân hủy làm sẫm màu và suy giảm hương vị đặc trưng. Do đó, việc thiết kế một hệ thống cô đặc làm việc ở áp suất chân không với chế độ nhiệt độ thấp là giải pháp kỹ thuật bắt buộc nhằm bảo toàn tối đa phẩm chất tự nhiên của sản phẩm.
Đồ án kỹ thuật thực phẩm "Thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc nước xoài ép, năng suất 2500 kg/h" được thực hiện bởi nhóm sinh viên Đặng Thái Dương và Trần Lữ Anh Thư, dưới sự hướng dẫn của TS. Phan Thế Duy tại Khoa Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM (tháng 12 năm 2022). Nhiệm vụ cụ thể của đề tài bao gồm:
- Thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc chân không một nồi liên tục có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm.
- Xử lý năng suất nhập liệu $G_đ = 2500\text{ kg/h}$ với nồng độ chất tan ban đầu $x_đ = 15%$ khối lượng, đưa lên nồng độ sản phẩm đầu ra $x_c = 24%$ khối lượng.
- Thiết lập chế độ làm việc với nguồn nhiệt là hơi nước bão hòa (áp suất làm việc 2,2 at đến 2,5 at), áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ $P_{ck} = 0,75\text{ at}$ (tương ứng áp suất tuyệt đối $P_{ng} = 0,25\text{ at}$) và nhiệt độ nguyên liệu ban đầu $30^\circ\text{C}$.
- Tính toán toàn diện cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng, truyền nhiệt, xác định kích thước hình học và kiểm tra độ bền cơ khí các chi tiết của thiết bị chính và thiết bị phụ.
Đối tượng nghiên cứu là hệ thống thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm và dịch nước ép xoài. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các tính toán kỹ thuật quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất - thực phẩm theo các quy chuẩn chế tạo thiết bị áp lực hiện hành.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án ứng dụng hệ thống lý thuyết về các quá trình và thiết bị truyền nhiệt, truyền khối và tính toán cơ khí bình áp lực trong công nghệ hóa chất và thực phẩm:
- Lý thuyết nhiệt động học và truyền nhiệt trong quá trình cô đặc: Bản chất của sự cô đặc là quá trình tách một phần dung môi (nước) ra khỏi dung dịch chất tan khó bay hơi ở trạng thái sôi. Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra từ hơi đốt bão hòa ngưng tụ bên ngoài ống truyền nhiệt truyền qua vách kim loại sang dung dịch nước xoài sôi tuần hoàn bên trong ống. Đồ án áp dụng công thức Tysenco để xác định tổn thất nhiệt độ do nồng độ $\Delta'$, phương trình tính tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh $\Delta''$, và tổn thất trở lực đường ống dẫn hơi thứ $\Delta'''$.
- Lý thuyết biến đổi của nguyên liệu thực phẩm: Phân tích sự suy giảm hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, sự gia tăng khối lượng riêng, độ nhớt và nhiệt độ sôi của dịch quả khi nồng độ chất khô tăng dần từ 15% lên 24%.
- Phương pháp tính toán cân bằng vật chất và năng lượng: Sử dụng các phương trình định luật bảo toàn khối lượng và nhiệt lượng tổng quát nhằm xác định lượng hơi thứ bốc lên $W$, lượng sản phẩm $G_c$, nhiệt lượng tiêu thụ $Q_D$, lượng hơi đốt cần cấp $D$ và suất tiêu hao hơi riêng $d$.
- Phương pháp tính toán thủy lực và truyền nhiệt: Xác định các hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng $\alpha_1$, hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi $\alpha_2$, nhiệt tải qua vách $q_v$ và hệ số truyền nhiệt tổng quát $K$ qua phương pháp lặp lùi sai số nhiệt tải riêng ($< 5%$).
- Phương pháp tính bền cơ khí thiết bị: Áp dụng các tiêu chuẩn tính toán sức bền vỏ mỏng, nắp, đáy, mặt bích và vỉ ống chịu áp suất trong (buồng đốt) và áp suất ngoài (buồng bốc chân không) theo tiêu chuẩn thiết kế thiết bị hóa chất (TCVN/Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất).
- Nguồn dữ liệu: Bảng tra cứu thông số nhiệt động của hơi nước bão hòa, nước ngưng, tính chất cơ lý của thép không gỉ Austenit OX18H10T và thép carbon CT3 từ các bộ Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1, Tập 2) và tài liệu Thiết kế Chi tiết Thiết bị Hóa chất.
Nội dung chính theo từng chương
Phần I: Tổng quan về nguyên liệu và quá trình cô đặc
Nội dung chương này tổng hợp các cơ sở lý luận và công nghệ liên quan đến nguyên liệu xoài và kỹ thuật cô đặc thực phẩm:
- Đặc điểm nguyên liệu xoài: Phân tích thành phần hóa học của xoài chín (86,5% nước, 15,9% glucid, 0,6% protein, vitamin A, B1, C) và tính chất dung dịch nước ép gồm dung môi nước và chất hòa tan chủ yếu là đường fructose, glucose, acid citric.
- Tổng quan kỹ thuật cô đặc: Khái quát các phương pháp cô đặc (cô đặc nhiệt, cô đặc lạnh kết tinh); phân loại các nhóm thiết bị cô đặc (tuần hoàn tự nhiên, tuần hoàn cưỡng bức, màng mỏng); phân tích các biến đổi vật lý, hóa học (caramel hóa, biến tính acid, sẫm màu) và biến đổi sinh học (ức chế và tiêu diệt vi sinh vật) trong quá trình cô đặc.
- Lựa chọn thiết bị: Đánh giá ưu nhược điểm của các dạng nồi cô đặc và đưa ra lựa chọn thiết bị cô đặc chân không một nồi liên tục có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm. Thiết bị này đảm bảo vận hành ổn định, nhập liệu liên tục, cấu tạo đơn giản, dễ cọ rửa vệ sinh, làm việc ở nhiệt độ sôi thấp ($< 70^\circ\text{C}$) giúp hạn chế tối đa tổn thất vitamin và màu sắc tự nhiên của nước xoài.
- Dây chuyền công nghệ: Mô tả sơ đồ quy trình từ khâu Xử lý nguyên liệu $\to$ Ép tách dịch quả $\to$ Lọc thô $\to$ Gia nhiệt $\to$ Cô đặc chân không $\to$ Tháo sản phẩm sệt nồng độ 24%.
Phần II: Tính toán và thiết kế thiết bị chính
Chương này tập trung toàn bộ khối lượng tính toán công nghệ truyền nhiệt và nhiệt động của hệ thống:
- Cân bằng vật chất:
- Năng suất nhập liệu: $G_đ = 2500\text{ kg/h}$.
- Năng suất tháo liệu sản phẩm: $G_c = 1562,5\text{ kg/h}$ (ở nồng độ $x_c = 24%$).
- Lượng hơi thứ bốc lên: $W = G_đ \cdot \left(1 - \frac{x_đ}{x_c}\right) = 2500 \cdot \left(1 - \frac{15}{24}\right) = 937,5\text{ kg/h}$.
- Xác định các tổn thất nhiệt độ:
- Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ $P_{ck} = 0,75\text{ at} \implies P_{ng} = 0,25\text{ at}$, nhiệt độ ngưng tụ tương ứng $t_c = 64,2^\circ\text{C}$.
- Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc ($P_0 = 0,2575\text{ at}$): $t_{sdm(P_0)} = 65,2^\circ\text{C}$.
- Tổn thất do nồng độ theo Tysenco: $\Delta' = 0,38^\circ\text{C}$.
- Tổn thất do áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng: $\Delta'' = 3,969^\circ\text{C}$.
- Tổn thất do trở lực đường ống dẫn hơi thứ: $\Delta''' = 1^\circ\text{C}$.
- Tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống: $\Sigma\Delta = \Delta' + \Delta'' + \Delta''' = 0,38 + 3,969 + 1 = 5,349^\circ\text{C}$.
- Nhiệt độ hơi đốt bão hòa ở $P_D = 2,2\text{ at}$ là $t_D = 122,26^\circ\text{C}$. Hiệu số nhiệt độ hữu ích: $\Delta t_{hi} = t_D - (t_c + \Sigma\Delta) = 122,26 - (64,2 + 5,349) = 53^\circ\text{C}$.
- Cân bằng nhiệt lượng:
- Xác định nhiệt dung riêng của dịch xoài $15%$ ($C_đ = 3846,84\text{ J/kg}\cdot\text{K}$) và dịch xoài $24%$ ($C_c = 3705,63\text{ J/kg}\cdot\text{K}$).
- Tổng nhiệt lượng hơi đốt cung cấp: $Q_D = 733.625,6\text{ W}$ ($733,624\text{ kW}$).
- Lượng hơi đốt tiêu tốn biểu kiến: $D = 0,351\text{ kg/s}$.
- Suất tiêu hao hơi đốt riêng: $d = 1,35\text{ kg hơi đốt / kg hơi thứ}$.
- Tính toán diện tích bề mặt truyền nhiệt:
- Xác định hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng $\alpha_1$ và phía dung dịch sôi $\alpha_2$ qua quá trình lặp nhiệt độ vách ($t_{v1} = 124,5^\circ\text{C}$, $t_{v2} = 82,27^\circ\text{C}$), đạt sai số nhiệt tải riêng $0,5% < 5%$.
- Nhiệt tải trung bình: $q_{tb} = 68.929,41\text{ W/m}^2$.
- Diện tích bề mặt truyền nhiệt tính toán: $F_{tt} = 4,54\text{ m}^2$. Nhằm đảm bảo an toàn vận hành khi bám cặn, nhóm tác giả chọn diện tích bề mặt truyền nhiệt theo dãy quy chuẩn là $F = 10\text{ m}^2$.
Phần III: Tính toán kích thước thiết bị và kiểm tra bền cơ khí
Chương này thực hiện thiết kế chi tiết kết cấu cơ khí cho buồng đốt, buồng bốc, nắp, đáy, các ống dẫn và liên kết mặt bích:
- Kích thước buồng đốt:
- Chọn ống truyền nhiệt bằng thép không gỉ kích thước $\Phi 25 \times 2\text{ mm}$ ($d_{tr} = 21\text{ mm}$, $d_n = 25\text{ mm}$ hoặc ống $25/28\text{ mm}$), chiều dài ống $L = 1,5\text{ m}$.
- Tổng số ống truyền nhiệt bố trí theo hình lục giác đều: 84 ống.
- Đường kính ống tuần hoàn trung tâm: $D_{th} = 273\text{ mm}$.
- Đường kính trong buồng đốt: $D_t = 600\text{ mm}$.
- Chiều dày vỏ buồng đốt chịu áp suất trong ($P_t = 0,147\text{ N/mm}^2$): tính toán $S = 5\text{ mm}$ (thép OX18H10T).
- Kích thước buồng bốc:
- Đường kính buồng bốc: tính toán dựa trên vận tốc lắng giọt lỏng cuốn theo hơi thứ, chọn đường kính quy chuẩn $D_b = 800\text{ mm}$.
- Chiều cao buồng bốc: xác định theo cường độ bốc hơi thể tích cho phép $U_{tt}$, chọn chiều cao $H_b = 2,5\text{ m}$.
- Chiều dày vỏ buồng bốc chịu áp suất ngoài chân không ($P_n = 0,1708\text{ N/mm}^2$): tính toán và kiểm tra ổn định nén trục, chọn $S = 12\text{ mm}$.
- Nắp và đáy thiết bị:
- Nắp thiết bị dạng elip tiêu chuẩn có gờ cao 50 mm, đường kính $D_t = 800\text{ mm}$, chiều dày $S = 12\text{ mm}$.
- Đáy thiết bị dạng hình nón có góc ở đỉnh $2\alpha = 60^\circ$, gờ cao 40 mm, đường kính $D_t = 600\text{ mm}$, chiều cao nón $H = 544\text{ mm}$, chiều dày $S = 12\text{ mm}$.
- Hệ thống ống dẫn và mặt bích liên kết:
- Tính toán đường kính các ống dẫn dựa trên lưu lượng và vận tốc dòng chảy quy chuẩn.
- Thiết kế liên kết mặt bích liền bằng thép CT3 kiểu 1, bu lông M20 cho toàn bộ các vị trí ghép nối thân - nắp, thân - đáy và buồng bốc - buồng đốt.
Thiết kế và triển khai kỹ thuật
Dưới đây là các bảng tổng hợp thông số thiết kế kỹ thuật chính của hệ thống cô đặc nước xoài ép được trích xuất từ kết quả tính toán của đồ án:
Bảng 1: Thông số nhiệt động và cân bằng vật chất - năng lượng
| Đại lượng / Thông số | Ký hiệu | Đơn vị | Giá trị tính toán |
|---|---|---|---|
| Năng suất nhập liệu | $G_đ$ | kg/h | 2500 |
| Nồng độ chất khô ban đầu | $x_đ$ | % khối lượng | 15 |
| Nồng độ chất khô sản phẩm | $x_c$ | % khối lượng | 24 |
| Suất lượng tháo sản phẩm | $G_c$ | kg/h | 1562,5 |
| Lượng hơi thứ bốc lên | $W$ | kg/h | 937,5 |
| Áp suất chân không buồng ngưng tụ | $P_{ck}$ | at | 0,75 |
| Áp suất tuyệt đối buồng ngưng tụ | $P_{ng}$ | at | 0,25 |
| Áp suất tuyệt đối buồng bốc | $P_0$ | at | 0,2575 |
| Nhiệt độ sôi của dung dịch ở đáy | $t_c$ | $^\circ\text{C}$ | 73,518 |
| Áp suất hơi đốt bão hòa | $P_D$ | at | 2,2 |
| Nhiệt độ hơi đốt | $t_D$ | $^\circ\text{C}$ | 122,26 |
| Tổng tổn thất nhiệt độ | $\Sigma\Delta$ | $^\circ\text{C}$ | 5,349 |
| Chênh lệch nhiệt độ hữu ích | $\Delta t_{hi}$ | $^\circ\text{C}$ | 53,0 |
| Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp | $Q_D$ | kW | 733,624 |
| Lượng hơi đốt tiêu hao biểu kiến | $D$ | kg/s | 0,351 |
| Suất tiêu hao hơi riêng | $d$ | kg hơi đốt/kg hơi thứ | 1,35 |
| Diện tích bề mặt truyền nhiệt chọn | $F$ | $\text{m}^2$ | 10 |
Bảng 2: Kích thước hình học và cơ khí của thiết bị cô đặc chính
| Bộ phận thiết bị | Thông số kích thước | Giá trị | Vật liệu chế tạo |
|---|---|---|---|
| Buồng đốt | Đường kính trong ($D_t$) | 600 mm | Thép OX18H10T |
| Chiều cao buồng đốt ($H_d$) | 1500 mm | Thép OX18H10T | |
| Bề dày thân buồng đốt ($S$) | 5 mm | Thép OX18H10T | |
| Số lượng ống truyền nhiệt | 84 ống | Thép OX18H10T | |
| Kích thước ống truyền nhiệt | $\Phi 25/28 \times 1500\text{ mm}$ | Thép OX18H10T | |
| Đường kính ống tuần hoàn trung tâm ($D_{th}$) | 273 mm | Thép OX18H10T | |
| Buồng bốc | Đường kính trong ($D_b$) | 800 mm | Thép OX18H10T |
| Chiều cao buồng bốc ($H_b$) | 2500 mm | Thép OX18H10T | |
| Bề dày thân buồng bốc ($S$) | 12 mm | Thép OX18H10T | |
| Nắp thiết bị | Kiểu dáng nắp elip tiêu chuẩn, gờ 50 mm | $D_t = 800\text{ mm}$ | Thép OX18H10T |
| Bề dày nắp ($S$) | 12 mm | Thép OX18H10T | |
| Đáy thiết bị | Dạng nón cụt, góc nón $2\alpha = 60^\circ$, gờ 40 mm | $D_t = 600\text{ mm}$ | Thép OX18H10T |
| Bề dày đáy ($S$) | 12 mm | Thép OX18H10T | |
| Chiều cao đáy nón ($H_{nón}$) | 544 mm | Thép OX18H10T |
Bảng 3: Quy cách đường kính ống dẫn và mặt bích ghép nối
| Loại ống dẫn / Vị trí nối | Đường kính tính toán (mm) | Đường kính trong chọn (mm) | Đường kính ngoài chọn (mm) | Quy cách bích / Bu lông |
|---|---|---|---|---|
| Ống dẫn hơi thứ | 190 | 200 | 219 | — |
| Ống dẫn hơi đốt | 53 | 70 | 76 | — |
| Ống tháo nước ngưng | 2 | 10 | 14 | — |
| Ống xả khí không ngưng | 2 | 10 | 14 | — |
| Ống nhập liệu | 10 | 10 | 14 | — |
| Ống tháo liệu | 10 | 10 | 14 | — |
| Bích nối buồng bốc - buồng đốt | — | 600 | 740 | Bích thép CT3, 20 bu lông M20 |
| Bích nối buồng đốt - đáy | — | 600 | 740 | Bích thép CT3, 20 bu lông M20 |
| Bích nối buồng bốc - nắp | — | 800 | 930 | Bích thép CT3, 24 bu lông M20 |
Kết quả và đóng góp
- Kết quả kỹ thuật chính: Đồ án đã hoàn thành bản tính toán thiết kế chi tiết cho toàn bộ hệ thống cô đặc chân không một nồi liên tục năng suất 2500 kg/h nước xoài ép. Các kết quả số liệu được xác định mạch lạc từ cân bằng vật chất ($W = 937,5\text{ kg/h}$ hơi thứ), cân bằng nhiệt lượng ($Q_D = 733,624\text{ kW}$), diện tích bề mặt truyền nhiệt chọn $10\text{ m}^2$, đến hệ kích thước cơ khí chi tiết ($D_{đốt} = 600\text{ mm}$, $D_{bốc} = 800\text{ mm}$, chiều dày thân $5 - 12\text{ mm}$).
- Giải pháp thiết kế:
- Ứng dụng buồng đốt có ống tuần hoàn trung tâm đường kính lớn ($273\text{ mm}$) giúp dung dịch tạo vòng tuần hoàn tự nhiên đối lưu tốt, giảm hiện tượng đóng cặn cục bộ trên bề mặt ống truyền nhiệt.
- Lựa chọn vật liệu tiếp xúc trực tiếp với thực phẩm là thép không gỉ cao cấp OX18H10T có bổ sung chiều dày ăn mòn hóa học ($C_a = 1\text{ mm}$), đảm bảo độ bền cơ lý, khả năng chịu ăn mòn của acid citric trong xoài và đáp ứng tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm.
- Sử dụng bích liền thép CT3 với bu lông M20 và đệm kín đảm bảo độ kín tuyệt đối cho hệ thống làm việc dưới áp suất chân không cao ($0,2575\text{ at}$).
- Đóng góp học thuật: Tài liệu cung cấp trình tự tính toán bài bản, kết hợp đầy đủ giữa lý thuyết công nghệ thực phẩm, kỹ thuật nhiệt - thủy lực và tính toán cơ khí thiết bị áp lực, đóng vai trò như một hồ sơ thiết kế kỹ thuật mẫu cho các loại nước quả nhiệt đới tương tự.
Hạn chế và hướng phát triển
- Hạn chế của đề tài:
- Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc một nồi, do đó suất tiêu hao hơi riêng tương đối cao ($1,35\text{ kg hơi đốt/kg hơi thứ}$), chưa tận dụng được nhiệt ẩn hóa hơi của dòng hơi thứ ($W = 937,5\text{ kg/h}$) phát sinh từ buồng bốc.
- Tốc độ tuần hoàn trong ống tuần hoàn trung tâm có thể bị ảnh hưởng do ống tuần hoàn vẫn nằm trong buồng đốt và chịu một phần nhiệt lượng gia nhiệt.
- Các thông số hóa lý của dịch xoài được tính toán dựa trên mô hình dung dịch đường chuẩn và acid citric tương đương, chưa khảo sát thực nghiệm trực tiếp các biến đổi lưu biến phi Newton của thịt quả xoài ở các độ chín khác nhau.
- Hướng phát triển tiếp theo:
- Nghiên cứu chuyển đổi sang hệ thống cô đặc nhiều nồi (2 hoặc 3 nồi) hoặc tích hợp hệ thống tái nén hơi nhiệt (Thermal Vapour Recompression - TVR / MVR) để tiết kiệm chi phí năng lượng hơi đốt.
- Thiết kế bổ sung hệ thống điều khiển tự động hóa (hệ thống van điều khiển tuyến tính PID, cảm biến đo nồng độ Brix trực tuyến, kiểm soát mức lỏng và áp suất chân không tự động).
- Tích hợp thêm hệ thống thu hồi hương (Aroma Recovery Unit) từ dòng hơi thứ để bổ sung lại hương thơm tự nhiên cho sản phẩm cô đặc sau quá trình xử lý nhiệt.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho:
- Sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Nhiệt: Dùng làm tài liệu mẫu cho Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị (phần Truyền nhiệt - Cô đặc), Đồ án Kỹ thuật Thực phẩm hoặc Khóa luận tốt nghiệp.
- Kỹ sư thiết kế thiết bị chế biến: Tham khảo quy trình tra cứu bảng số liệu, các bước tính toán hệ số truyền nhiệt qua vách trụ, tính toán kích thước buồng tách giọt lỏng buồng bốc và kiểm toán bền cơ học thân vỏ chịu áp suất ngoài theo TCVN.
- Phần nội dung đáng chú ý nhất: Chuỗi phương trình tính toán lặp nhiệt tải riêng ($q_1, q_2, q_v$) để xác định hệ số truyền nhiệt thực tế, cùng phương pháp tính toán kiểm tra độ ổn định nén trục vỏ buồng bốc chân không.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao đồ án lựa chọn thiết bị cô đặc chân không một nồi có ống tuần hoàn trung tâm cho dịch nước ép xoài?
Dịch nước ép xoài chứa nhiều vitamin và đường, rất nhạy cảm với nhiệt độ cao. Làm việc ở áp suất chân không ($P_{ng} = 0,25\text{ at}$) giúp hạ nhiệt độ sôi của dung dịch xuống dưới $70^\circ\text{C}$ ($t_{sdm} = 65,2^\circ\text{C}$), giúp giữ nguyên màu sắc, mùi vị và hàm lượng dinh dưỡng. Ống tuần hoàn trung tâm tạo ra vòng đối lưu tự nhiên ổn định, cấu tạo đơn giản, dễ tháo lắp và cọ rửa vệ sinh công nghiệp.
2. Suất tiêu hao hơi đốt riêng của hệ thống là bao nhiêu và có ý nghĩa gì?
Suất tiêu hao hơi đốt riêng được tính toán là $d = 1,35\text{ kg hơi đốt / kg hơi thứ}$. Con số này phản ánh rằng để làm bốc hơi được 1 kg nước (hơi thứ) ra khỏi dịch xoài, hệ thống cần tiêu tốn 1,35 kg hơi nước bão hòa cấp vào buồng đốt (do phải bù đắp nhiệt đun sôi dung dịch ban đầu, tổn thất nhiệt ra môi trường 4% và các trở lực truyền nhiệt).
3. Tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống ($\Sigma\Delta = 5,349^\circ\text{C}$) bao gồm những thành phần nào?
Tổng tổn thất nhiệt độ gồm ba thành phần:
- Tổn thất do nồng độ chất tan tăng cao ($\Delta' = 0,38^\circ\text{C}$ tính theo công thức Tysenco).
- Tổn thất do áp suất thủy tĩnh của chiều cao cột chất lỏng trong buồng đốt ($\Delta'' = 3,969^\circ\text{C}$).
- Tổn thất nhiệt độ do trở lực dòng chảy trên đường ống dẫn hơi thứ sang thiết bị ngưng tụ ($\Delta''' = 1^\circ\text{C}$).
4. Tại sao diện tích truyền nhiệt tính toán là $4,54\text{ m}^2$ nhưng đồ án lại chọn quy chuẩn $10\text{ m}^2$?
Diện tích tính toán lý thuyết $F_{tt} = 4,54\text{ m}^2$ ứng với điều kiện bề mặt ống sạch hoàn toàn. Trong thực tế chế biến nước quả, dịch xoài dễ bị bám cặn hữu cơ lên bề mặt truyền nhiệt làm tăng nhiệt trở ($r_2 = 0,5\text{ mm}$). Việc chọn diện tích quy chuẩn $F = 10\text{ m}^2$ theo dãy tiêu chuẩn công nghiệp nhằm tạo hệ số dự phòng an toàn, duy trì đúng năng suất $2500\text{ kg/h}$ ngay cả khi bề mặt truyền nhiệt bị bám bẩn sau một thời gian vận hành liên tục.
5. Vật liệu nào được chọn để chế tạo thân thiết bị và chiều dày tính toán là bao nhiêu?
Vật liệu chế tạo thân buồng đốt, buồng bốc, nắp và đáy là thép không gỉ Austenit OX18H10T có độ bền cơ học và tính chống ăn mòn hóa học cao. Thân buồng đốt chịu áp suất trong được chọn bề dày $S = 5\text{ mm}$; trong khi thân buồng bốc, nắp elip và đáy nón chịu áp suất ngoài (chân không) được thiết kế bề dày $S = 12\text{ mm}$ để đảm bảo điều kiện ổn định hình dạng vỏ mỏng.
Kết luận
Đồ án "Thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc nước xoài ép, năng suất 2500 kg/h" đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu thiết kế công nghệ và cơ khí cho hệ thống cô đặc chân không một nồi có ống tuần hoàn trung tâm. Kết quả tính toán đã xác định rõ ràng các thông số cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng, diện tích truyền nhiệt $10\text{ m}^2$ và các kích thước cấu tạo chi tiết của thiết bị chính đạt chuẩn an toàn cơ khí và vệ sinh thực phẩm. Đây là công trình đồ án có tính kỹ thuật ứng dụng cao, cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết, khoa học và chuẩn mực cho sinh viên cũng như cán bộ kỹ thuật trong lĩnh vực thiết bị chế biến thực phẩm.